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自来水厂应用水泵变频器节能改造的可行性分析
根据相关数据显示:我国70%以上的发电总量都损耗在电动机上,水泵、风机占整个消耗总量的40%。通过电机变频能代替原有流量调节,平均每个小时可以节约300到400亿千瓦。在自来水厂中,变频器主要用来泵房取水、送水,除了节电,它还可以调整平滑取水的流量以及送水压力,进而满足供水工艺与制水要求。

一、自来水厂水泵变频节能原理

    在大多数改建、新建的自动化水厂泵房中,都配备了变频器,在改善工艺的同时,进一步降低能耗。在这过程中,变频器控制方式与PLC、手动运行模式基本上一致,通过控制箱就能现场切换。在水厂泵房送水中,通过PLC自控系统以及PID调节,不仅能让变频器进行自动调速,还能保障恒压供水,即使在无人值守的泵房,也能进一步提高水厂生产效率与安全性。在变频器取水中,通过PID以及PLC调节,不仅能让变频器实现自动调速,还能让清水始终处于稳定的状态,在无人值守的泵房中,进行优质、高效的供水。在自动化水泵房控制设计中,通常由清水位控制送水泵房压力控制和变频器频率,通过改变送水泵房变频器工作状态,影响水压力,它清水池时间滞后影响尤为突出,同时还会絮凝池、平流池、滤池水流量对水位的影响也很大。因此,用清水池水位对水泵房机组节能的方法对节能改造没有太理想的效果。负载转矩和转速的平方以正比例关系呈现是水泵的主要特点,同时,轴功率和转速的立方额成正比例关系。Q:Qo=n:no,H:Ho=(n:no)2,P:Po=(n:no)3,其中no为额定基准转速,n是运行转速,Ho是no的扬程,Qo是no的流量,H是n的扬程,Po是no的功率,同时P也是n的功率。对于现实中的泵负载,有一个和高低差具有实际联系的扬程,在变频运行或者调速中必须特别注意。

    在实际工作中,运行点一般由管路对曲线进行阻挡,H到Q之间的交点对其也有重要作用。如:80%以上的运转点不会在C区域,而在D区域。同时,轴功率必须考虑相似的问题,也就是说工作点不能和立方曲线直接交叉。也就是说,在相同的转速下,扬程越大,流量降低的比例就会越大,当转速范围缩小到一定范围时,节能效果也会随之降低。

    在转速节能效果控制与阀门控制中,如果自来水厂流量从1.0转换成0.5,在阀门控制中,利用关小阀门让相关曲线的阻抗由R1变成R2,此时的工作点也会从原来的A点移动到B点;如果使用的是转速控制,在同一阻抗曲线中,R1就会从A点直接移动到B点。在P到Q轴功率特性曲线不变的情况下,100%的阀门转速就会直接从A点移动到B点;在转速控制中,它会在实际扬程的控制功率上,从A点运动到D点,和阀门控制结果相比,它能得到相当于BD一样的节电。如果使用的是变频调速,由于实际扬程相对较小,所以轴功率会越来越接近曲线立方关系,此时调速产生的节能效果就会更大。
    对于自来水厂的水泵,由于需要随时向供水系统补水,所以在不同的时段区域以及不同的季节,用水量存在很大不同,需要补充的系统和流量压力也存在很大差异。传统的节能方法是,调节扬程压力与节水流量,不仅浪费资源,流程也相当麻烦,需要较高的成本,同时还会造成大量的机械损耗。

二、自来水厂水泵变频器节能改造的工艺要求

    在自来水厂水泵变频器节能改造中,变频器一般使用远程控制与本地控制相结合的方式进行。其中远程控制又包括压力负反馈和频率控制,一般频率调节都在0到50HZ之间。而直接频率控制和压力负反馈远程控制都有PLC进行选择,在运行过程中,也可以根据变频器具体的控制方式选择。本地控制是对面板进行的控制,控制方式调整成LOCAL;在频率调节时,通过手动频率控制,进而保障出厂压力与流量。在对自来水厂变频器改造中,为了保障改造质量,必须根据节能目标满足基本的节能要求,在这过程中,价格合理尤为重要;其次是水泵必须达到高强度的连续、可靠运转,进而保障系统由工频到变频,以及由变频到工频之间的转换,一旦出现瞬时停电现象,通过自动再启动的系统就能正常运行。

    在某自来水厂水泵变频器中,该系统拥有三台水泵,并且每台电机容量都能达到75KW,一台作为备用,另外两台正常工作。具体情况如下:在三台水泵中,对其分别进行定速和调速运行,并且变频器智能作为一台电机的电源。所以每台电机的停止、启动都会相互相应,通过这种逻辑性电路控制,不仅可以保障电路切换,还能达到节能目标。

    在外部接线以及变频器选型中,一般选用风机、水泵类专用的变频器,用PLC进行控制。在变频器接线中,水泵运行中的管压会直接影响水泵运行状况。如果管压高于0.8时,定速、变速、备用各一台;当管压低于0.64时,两台备用,一台变速或者定速;当管压低于0.52时,两台备用,一台作为变速。这三种情况都是根据管道流量以及压力传感器信号,通过函数发生器将其演变成控制信号,进而启动阀门与电动机。对于运行状态的电机,压力信号一般由三种不同的速度进行切换。

    在变频器接线中,电机转向和电源相序连接没有直接关系,一般根据电机连接的方式达到电机转向。在这过程中,需要注意的是:电机端和电源端绝对不能反接,否则就会损坏变频器。对于电源开关、KM1接触器、QF容量则根据自来水厂水泵变频器具体要求选择。通过在变频器上安装功率表、电压表、功率因素表、电流表等模拟类电表,对电机进行细致的监控;对于CM、FWD、C1V1等继电器连接,通常使用灵敏度很高的微型双触点继电器。在频率设置中,可以根据流量、压力对其进行手动切换,为了转换功率因素,必须安装DK线圈,设置报警电路,一旦出现故障,通过声光就能达到报警效果。

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